交會對接光學成像敏感器反射鏡組件微應力裝配技術*

張慧鋒，龔德鑄，張佳星，孫建波

0 引 言

2016年9月開始，中國陸續發射了天宮二號空間實驗室、神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運飛船，主要目的是更好地掌握空間交會對接技術并驗證系列空間新技術，為中國空間站的建設奠定良好基礎.迄今為止，載人飛船、貨運飛船已先后多次完成與天宮二號的交會對接.交會對接光學成像敏感器(camera-type rendezvous and docking sensor，CRDS)作為瞄準整個載人三期和探月三期自動交會對接任務而研制的新一代空間交會對接光學成像敏感器，在上述任務中發揮了重要作用，工作表現達到預期目標[1].

CRDS由視覺測量相機和合作目標標志器組成.相機安裝在追蹤飛行器上，目標安裝在目標飛行器上，在兩飛行器從250 m交會直到對接完成范圍內，通過相機對合作目標的成像，進行圖像處理、目標識別、位姿計算，可以計算得到相機坐標系相對于合作目標坐標系的相對位置和相對姿態角，從而為交會對接任務提供相對導航的測量信息.

現有CRDS所用的是金屬反射鏡，作用是折轉目標光源進入相機視場成像.和玻璃等非金屬相比，金屬具有低成本、易加工、體積小且可以直接安裝等優點[2-3].反射鏡組件的性能，決定目標光點的成像質量、決定反射光源的光學特性，決定CRDS光軸指向，是CRDS的關鍵組件.如果反射鏡面形不佳，將導致成像光點形變，無法準確提取質心，嚴重影響測量精度；反射鏡面形不佳，將導致鏡面發生衍射效應，不必要的雜光進入相機視場，影響CRDS正常工作.在反射鏡組件的裝配和組件裝到CRDS整機的過程中，由于零組件存在尺寸和形位誤差，應盡量減小反射鏡的變形，保證反射鏡和勻化器的指向精度.這就要求裝配和各環節中變形小，減小裝配應力對組件精度的影響.

中國空間站工程所用CRDS測量精度、體積、功耗等主要指標，領先于國內外主流產品(美國NGAVGS等)；另一方面，CRDS反射鏡組件由反射鏡、反射鏡支架、勻化器組件等組成(勻化器組件用來擴束勻化激光光源，具體如下介紹)，尺寸約90×70×70 mm，而美國NGAVGS產品，其反射鏡組件未見勻化器組件，結構簡單，激光光源直接出射(這也是其視場較小，測量精度不高的原因之一)，尺寸200 mm×200 mm×200 mm，因此中國CRDS與美國NGAVGS的反射鏡組件差異較大，CRDS反射鏡組件體積小、重量輕、構成復雜、性能指標好.

1 金屬反射鏡變形分析

CRDS金屬反射鏡組件，如圖1所示，由以下幾部分主份：金屬反射鏡(6061 T6)、反射鏡支架(2A12T4)、安裝螺釘(不銹鋼)、勻化器組件(光學組件)、光纖安裝耳(2A12T4)、導熱絕緣墊、反射鏡遮光板等.外包絡尺寸約90 mm×70 mm×70 mm.在完成組件裝配后，需要將組件裝至整機主結構上.在整個CRDS的工作過程中，首先是勻化器組件，接收LD激光光源，并進行擴束勻化后，通過反射鏡中心小孔，實現與光學鏡頭光軸同軸出射.

1.1 面形及指向變化原因分析

由CRDS的結構以及裝配過程可知，造成反射鏡面形發生變化的原因有以下3類：

1) 反射鏡組件內部以及與整機結構之間相互連接關系多，復雜結構形成多重裝配應力.如反射鏡與反射鏡支架的連接，反射鏡支架與光纖安裝耳的連接，勻化器與反射鏡支架的連接傳遞，勻化器與整機主結構的連接等，各零組件相互咬合，如圖1和圖2所示.

圖1 金屬反射鏡組件示意圖Fig.1 Metal reflector module

圖2 CRDS整機結構示意圖Fig.2 Camera-type rendezvous and docking sensor

2) 裝調環節多，每一個環節都容易發生變形，引起裝配應力.在反射鏡加工后由于加工應力，容易發生二次變形，該應力屬于加工應力；反射鏡與反射鏡支架組合后發生第三次形變，該應力屬于裝配應力，主要原因是安裝面為非理想平面，用螺釘緊固后發生變形；反射鏡組件內部以及與整機主結構有多處裝配關系，存在過定位情況，發生第四次變形，此應力屬于裝配應力；另外反射鏡組件力學和熱學環境試驗后發生第五次形變.

3) 勻化器組件重心靠下，質量分布不平衡，如果裝配不當，在力學環境下容易引起較大的振動，最終無法保證反射鏡和勻化器的相對角度關系.也就是說，需要在結構設計過定位(主要目的是為了保證強度，防止在環境實驗后精度發生變化)的情況下，保證裝配應力較小，裝配在整機上的反射鏡組件面形和指向精度滿足要求.

1.2 面形及指向變化仿真分析

針對以上反射鏡的變形因素，對反射鏡組件進行有限元建模，如圖3所示.其中，對考慮了反射鏡和反射鏡支架安裝面的平面度誤差；將光纖安裝耳與反射鏡支架的過定位尺寸誤差設定為0.1 mm；對反射鏡安裝螺釘模型施加了擰緊力矩；對反射鏡組件的四個安裝孔施加固定約束.對裝配過程進行了分析計算.

圖3 反射鏡組件有限元模型Fig.3 FEA model of Metal reflector module

反射鏡通過螺釘擰緊在反射鏡支架上，反射鏡安裝面為非理想平面，存在平面度誤差，通過有限元分析可知，當螺釘裝配力矩0.6N·m時，反射面的最大變形為0.73 μm(反射鏡安裝面平面度0.008 mm，力矩0.6 N·m)，即1.15λ，變形圖如圖4所示.通過仿真分析可知，反射鏡組件的裝配過程造成的面形變化較大，直接導致反射鏡指標不滿足要求.

2 微應力裝配

由于反射鏡裝配到反射鏡支架上時，產生裝配應力，導致反射面發生變形，因此，本文采用一體式加工的工藝路線，即先將反射鏡裝配到反射鏡支架上，再進行面形精加工的工藝路線，并在裝配過程中進行多環節的面形檢測和指向檢測，檢控面形和指向變化，并配合應力釋放措施，逐步完成整個反射鏡組件的微應力裝配.

圖4 螺釘裝配應力導致的反射面變形圖Fig.4 Reflector deformation by flatnessand tightening torque

2.1 金屬反射鏡裝配應力分析與控制

對于反射鏡組件，引入裝配應力的一個重要環節是，反射鏡通過螺釘擰緊在反射鏡支架上.為了實現金屬反射鏡的微應力裝配，主要采取了兩種措施：控制金屬反射鏡螺釘擰緊力矩和提高反射鏡和反射鏡支架的平面度.

1) 首先，通過靜力學仿真和試驗驗證，確定合理的反螺釘預緊力.通過靜力學分析可知，當螺釘裝配力矩0.6 N·m時，反射面的最大變形為0.73 μm(平面度0.008 mm，力矩0.6 N·m)，即1.15λ，如圖5所示.因此要保證裝配后面形變化小于2λ的要求，并留有足夠裕量，需要降低裝配力矩，在后續通過防松膠保證螺紋連接可靠.

圖5 裝配應力導致的反射面變形圖(平面度0.008 mm，力矩0.6 N·m)Fig.5 Reflector deformation by assembly stress

當反射鏡以0.4 N·m螺釘擰緊力矩進行裝配后，面形變化為0.49 μm，即0.77λ，如圖6所示.考慮到裝配體的環境適應性要求，因此確定反射鏡安裝到反射鏡支架上的螺釘預緊力為0.4 N·m.工藝實驗的過程數據和結果也表明，此擰緊力矩對改善面形，減小裝配應力起到了重要作用.

2) 優化反射鏡和反射鏡支架的安裝面的平面度.通過變形分析可以看出，與理想平面比，存在平面度誤差時，反射鏡的裝配應力大，造成的面形誤差較大，如表1所示.分析數據與實驗數據變化趨勢一致.

圖6 裝配應力導致的反射面變形圖(平面度0.008 mm，力矩0.4 N·m)Fig.6 Reflector deformation by assembly stress

表1 反射鏡裝配應力和變形值Tab.1 Assembly stress and deformation

所以，對反射鏡支架和反射鏡安裝面的平面度進行了優化，如表2所示.

表2 優化反射鏡支架和反射鏡安裝面加工精度Tab.2 Optimization of flatness

安裝面平面加工完成后，對裝配完的組件面形(精加工之前)進行了檢測，結果表明，優化安裝面平面度可以有效改善反射鏡平面度，與仿真結果一致.

2.2 過定位尺寸鏈分析與改進

由于存在多處過定位，所以在主定位處采用剛性連接，在其他定位處選用柔性材料.例如，光纖安裝耳與反射鏡支架之間的過定位尺寸如圖7所示，反射鏡支架與光纖安裝耳有兩個接觸面，這兩個接觸面尺寸精度要求較高，如果尺寸誤差較大，將造成反射鏡指向精度發生變化.

圖7 過定位尺寸鏈示意圖Fig.7 Over-positioning dimension chain

通過靜力學分析計算可知，當過定位尺寸存在0.1 mm的誤差時，反射鏡上邊緣X向位移3.21 μm，下邊緣X向位移-6.43 μm，如圖8所示，裝配應力最大值為7.09 MPa，如圖9所示，通過計算可得反射鏡指向變化為1.32′.采用硅橡膠材料制作過定位尺寸的零件，由于硅橡膠材料柔性較好，過定位尺寸可在測試反射鏡指向的同時確定.用此方法，通過分析計算，裝配造成反射鏡指向變化為0.1′，裝配應力為1.09 MPa.反射鏡指向變化和裝配應力都大幅減小，保證了反射鏡指向精度滿足精度要求.

圖8 過定造成的反射鏡指向精度變化Fig.8 Surface vector variation caused by over-positioning

由于硅橡膠在常溫下可交聯成彈性體，具有較大的伸長率，伸長率≥300%，而鋁合金材料的彈性模量71 GPa，鈦合金的彈性模量為96 GPa，柔性材料的彈性模量很小，可忽略，所以固化應力很小.柔性材料裝在反射鏡組件與整機主結構之間，在保證勻化器指向精度的同時，不引入裝配應力；同時柔性材料的阻尼較大，可以減小勻化器振動.

圖9 過定造成的反射鏡裝配應力Fig.9 Assembly stress caused by over-positioning

2.3 其他通用措施

必要的環節中，進行多點面形檢測，如果不滿足要求，進行微調再確認，保證整個反射鏡的面形滿足要求.面形檢測采用激光干涉儀.

在裝配過程選擇多個環節進行面形和指向檢測，不滿足要求再調整，保證在各個環節都不引入不必要的變形和裝配應力.

進行多次應力釋放，包括力學試驗和熱學試驗，保證裝配應力得以釋放.

2.4 微應力裝配效果

從過程數據的監測來看，整個組件經過如上所示的分析和改進以后，最終完成了反射鏡組件微應力裝配.其中，實驗所測的9個組件在經歷和力學和熱學試驗后，反射鏡面形達到PV≤0.2λ，RMS≤0.06λ(原方法面形PV≤0.8λ，RMS≤0.13λ)；反射鏡力熱環試前后反射鏡指向變化由≤2′，提高到≤1′.

3 結 論

本文介紹了交會對接光學成像敏感器的功能和基本工作原理，并介紹了金屬反射鏡組件在敏感器整機中的作用.經過結構組成和裝配過程的有限元分析，得出了導致反射鏡組件精度發生變化的主要因素：反射鏡裝配到反射鏡組件上產生的裝配應力，反射鏡組件內部及裝配到整機上過定位導致的裝配應力.針對這些問題，在優化裝調流程的基礎上，對裝配應力進行了有限元分析，根據分析結果優化了反射鏡和反射鏡支架安裝面的的加工平面度，確定了反射鏡的擰緊力矩；選用柔性材料制作過定位尺寸鏈的零件，對比了改進前后的反射鏡指向變化和裝配應力，改進后大幅減小.通過對裝配過程的分析和改進，達到了反射鏡精度指標要求，保證了敏感器測量精度.

本文所述的微應力裝配技術將應用于載人工程三期的CRDS產品上，保證交會對接任務的順利完成，該技術也可推廣于需要光路折轉的光學產品的研制過程.